美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的研究人员首次开发了一种基因组规模的方法来绘制转录因子的调节作用，这些蛋白质在基因表达和决定植物生理性状中发挥着关键作用。他们的工作揭示了对基因调控网络前所未有的见解，并确定了一个新的 DNA 部分库，可用于优化植物基因工程工作。

该杂志的一项研究的主要作者尼克拉斯·胡梅尔（Niklas Hummel）说：“转录因子调节植物的生长方式、产生多少果实以及根部结构等。” 细胞系统 以及能源部联合生物能源研究所 (JBEI) 的研究员，该研究所由伯克利实验室管理。 “通过破译它们的调节作用，我们可以确定新的策略来设计更具抗旱能力的生物能源作物和其他具有改良农艺性状的植物。”

Hummel 和该研究的资深作者 Patrick Shih（伯克利实验室生物科学领域的教授科学家兼 JBEI 植物生物系统设计总监）着手开发一种方法来同时表征植物中的大量转录因子。虽然其他模型生物（例如动物、昆虫和真菌）也存在这样做的方法，但由于植物的复杂性和细胞壁的破坏性存在，将它们应用于植物一直具有挑战性。

“迄今为止，这类研究实际上是在植物中零碎进行的，我们只了解特定转录因子的功能，因为一组研究人员多年来一直关注它，”Shih 说，他也是植物研究所的研究人员。创新基因组学研究所。 “因此，我们试图做的是想出一种方法来同时绘制植物中数百个转录因子的活性。”

为了应对这一挑战，Hummel 和 Shih 采用了他们之前开发的用于在植物中构建合成生物学工具的瞬时表达系统。在这里，他们使用该系统并行表征了烟草植物中 400 多个转录效应域的网络 本塞姆氏烟草，这是植物合成生物学领域前所未有的壮举。

然后，他们进行了广泛的文献综述，试图将他们集体识别的转录因子的功能与之前确定网络中各个转录因子的功能的工作相匹配。

“我们能够证明，这是人们在单独研究转录因子在基因表达中发挥的作用时所看到的，也是我们在并行研究它们时所看到的，”Shih 说。 “实际上最终的效果非常好。这使我们相信我们可以将我们的数据集整合到基因调控网络中，以确定用于设计重要植物性状的关键转录因子。”

这项研究的一个令人惊讶的方面是发现了远缘真核生物中相似的转录调控机制。通过检查植物和酵母中转录因子调控的功能，研究人员发现了共享的功能，强调了深度保守的基因调控机制的存在。

“我们惊讶地发现许多转录因子调控域在植物和酵母中具有相同的功能，”胡梅尔说。 “然后我们对此进行了扩展，以演示在酵母数据集上训练的机器学习算法如何识别植物中的调控域。”

该研究的结果对农业和可持续发展具有重要意义。转录因子在确定植物的重要性状方面发挥着至关重要的作用，因此了解它们的工作原理将有助于科学家制定改善农业实践和应对环境挑战的策略。

“我们可以找到新的策略来设计更具抗旱能力的生物能源作物和其他具有改良农艺性状的植物。”

——尼克拉斯·胡梅尔

展望未来，研究人员的目标是扩展他们的方法来研究所有转录因子 拟南芥，一种广泛研究的模式植物物种。这将进一步加速对植物特异性基因调控的理解，并促进植物生物学领域的进步。

“我们设计和改造植物的能力取决于我们对各种性状如何调控的基本了解，”施说。 “通过了解关键转录因子如何成为感兴趣性状的主要调节因子，我们可以确定改善生物能源相关性状的新策略。”

这项工作得到了能源部科学办公室的支持。 JBEI 是美国能源部生物能源研究中心。

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劳伦斯伯克利国家实验室成立于 1931 年，坚信最大的科学挑战最好由团队来解决，该实验室及其科学家已荣获 16 项诺贝尔奖。如今，伯克利实验室的研究人员开发可持续能源和环境解决方案，创造有用的新材料，推进计算前沿，并探索生命、物质和宇宙的奥秘。来自世界各地的科学家依靠实验室的设施来进行自己的科学发现。伯克利实验室是一个多项目国家实验室，由加州大学为美国能源部科学办公室管理。

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